1 大连理工大学物理与光电工程学院2第二章 光偏振技术基础 光调制、光弹技术、光传感、光散射等技术中 急需解决的基本问题 ：在晶体中多参量同时作用下的偏振光传输；晶体中线偏振光和圆偏振光、自然旋光和磁旋光的分离；单模光纤中圆偏振光和线偏振光的去耦合；光纤器件中偏振传输、控制和检测；光散射的偏振；高速光通信中偏振模色散的检测和补偿 偏振的传输、分离、检测、控制和补偿 光偏振技术涉及到：3目 录1 偏振器2 波片和补偿器3 平行偏振光的干涉4 会聚光的偏光干涉 5 物质的旋光性6* 偏振光的获得和检验7 偏振器件的琼斯矩阵8* 偏振光应用41 偏振器起偏器(Polarizer) ： 能够产生偏振光的装置，包括仪器、器件等检偏器(Analyzer) ： 检测偏振光及其偏振方向的装置 偏振器双折射型：广泛应用反射型吸收型：液晶技术的成熟，也得到广泛应用散射型消光比差、抗损伤能力低等缺点，应用受到限制晶体起偏器弊端：两束光通常靠得很近，不便于分离应用实际：使其中一束在偏振器内发生全反射或散射，而让另一束光通过；利用某些各向异性介质的二向色性，吸收掉一束线偏振光，而使另一束线偏振光通过5一 偏振棱镜 1 尼科耳(Nicol)棱镜 2 沃拉斯顿(Wollaston)棱镜 3 格兰一汤普森(Glan-Tompson)棱镜 4 傅科(Foueault)棱镜 5 洛匈(Rooxon)棱镜二 偏振片 1 散射型偏振片 2 二向色型偏振片三 反射型偏振器6一 偏振棱镜利用晶体的双折射特性制成的偏振器， 通常是由两块晶体按一定的取向组合而成的。
当入射光线在由光轴与晶体表面法线组成的平面内时，实际使用中， 都有意选择入射面与主截面重合，以使所研究的双折射变得简单 这个由光轴和晶体表面法线组成的面称为晶体的主截面 主截面法线光轴O光e光光轴O光主平面71 尼科耳棱镜 它能使双折射产生的两束线偏振光的一束在粘合界面处 发生全反射，偏折出棱镜； 高纯度的另一束线偏振光几乎无偏折地从棱镜穿出常用的偏振棱镜，是由优质的方解石制成制作方法：将晶体沿着垂直于主截面及两端面的平面切开，把切开的面磨成光学面，再用加拿大树胶粘合在一起，并将周围涂黑，就制成了尼科耳棱镜. 8http:/ ：光密光疏e光 ：光密光疏光轴O光临界角：为什么不利用O光全反射来产生线偏振光？ 11光轴虽然e光折射率是随光线方向改变但在入射角不是很小时（基本垂直于光轴），最佳条件：o光发生全反射，e光不发生全反射12优良的偏振器，一般只在对偏振光的纯度要求较高的场合下使用尼克耳棱镜缺点：孔径角小： 不适合高度会聚或发散的光束天然方解石晶体比较小：有效使用截面都很小价格昂贵对可见光的透明度非常高产生完善的线偏振光尼克耳棱镜优点：高精密光学仪器：旋光仪13尼科耳棱镜可用作起偏器，也可用作检偏器。
尼科耳棱镜可用作起偏器，也可用作检偏器142 沃拉斯顿(Wollaston)棱镜由两个直角的方解石(或石英)棱镜胶合而成，且这两个光轴方向相互垂直，又都平行于各自的表面 15能产生两束互相分开的、光矢量互相垂直的线偏振光 光轴光轴线偏振光O光e光方向均保持不变；传播速度不同，折射率不同光振动：垂直于光轴与传播方向组成的平面， 光振动：平行于光轴与传播方向组成的平面O光与e光对换，对原来的O光来说，变为光密进入光疏远离法线棱镜顶角16问题：若入射光是白光，则出射光是什么情况？出射光束间的夹角取决于哪些参数？制造沃拉斯顿棱镜的材料也可以用水晶(即石英)水晶比方解石容易加工成完善的光学平面，但是分出的两束光的夹角要小得多 光轴光轴线偏振光173 格兰-汤普森(Glan-Tompson)棱镜由两块方解石直角棱镜斜面相对胶合制成，在两个棱柱间可以用甘油、树脂等胶合 光轴方向既平行于端面又平行于斜面，即与图面垂直 光和 光都不发生偏折， 它们在斜面上的入射角等于 自然光正入射时，由于光线与光轴垂直，18制作时应使胶合剂的折射率 ：大于并接近非常光的折射率 ，但小于寻常光折射率 ，并选取角 大于 光在胶合面上的临界角。
光在胶合面上全反射，被棱镜直角面上的涂层吸收；对于 光，光线与光轴垂直，折射率 ，经过两次折射后，光线与入射光线平行出射；又由于胶合剂的折射率接近非常光的折射率，光几乎无偏折和错位地从棱镜出射 19加拿大树胶对紫外线吸收很厉害， 胶合层容易被大功率的激光所破坏 克服尼科耳棱镜的缺点： 出射光束与入射光束不在同一直线上； 出射光做检偏器时会因尼科耳棱镜旋转而旋转 20当入射光束不是平行光或平行光非正入射偏振棱镜时， 棱镜的全偏振角或孔径角受到限制 因此这种棱镜不宜用于高度会聚或发散的光束 上偏角 大于某一值时，导致 光不发生全反射而部分地透过棱镜光在胶合面上的入射角小于临界角，21孔径角与使用波段、胶合剂折射率和棱镜底角有关 自然光在空气与晶体的界面处的最大入射角 对于的钠黄光，方解石的折射率为加拿大树胶的折射率 临界角为 22孔径角约为 棱镜相应的长宽比为 若选取棱镜的底角 234 傅科(Foueault)棱镜用空气层代替格兰棱镜的胶合层时，便得到傅科棱镜， 可以减小加拿大树胶引起的吸收损耗光谱范围： 能承受的功率密度： 在激光技术中被广泛应用 245 洛匈(Rooxon)棱镜由两个光轴互相垂直的方解石三棱镜粘合而成。
白色自然光正入射时，在第一块晶体中光线沿光轴方向入射，折射的 光和 光无偏折地在晶体内沿光轴方向传播，而且传播速度相同，折射率相同 25进入第二块棱镜后，振动方向垂直纸面的光矢量沿光轴方向，变为 光；而且因为光波法线方向垂直于光轴，其折射率为常数 故振动方向与纸面垂直的 光因方解石是负单轴晶体，相当于从光密媒质到光疏媒质，远离法线方向偏折 26由于其折射率没有变化，仍沿原方向无偏折地通过进入第二块棱镜后，在纸面振动的 光矢量仍然垂直于光轴方向，仍然为 光；其折射率为常数 27第二块晶体与空气的界面： 得到两束分离的、振动方向相互垂直的线偏振光 光是垂直入射，仍然沿着原来的方向透射出晶体； 光，仍然是从光密媒质到光疏媒质， 进一步远离法线方向偏折射出晶体 28在垂直入射的情况下，振动方向与纸面平行的 O 光不发生偏折，因此白光入射时，得到无偏折通过的白色线偏振光；偏离法线的 光却是个彩色光斑 垂直于纸面振动的 光射出晶体后的偏离角 29二 偏振片偏振棱镜的通光面积不大，存在孔径角限制，且造价昂贵，所以在许多要求不高的场合，都采用偏振片产生线偏振光1 散射型偏振片利用双折射晶体的散射起偏的，两片具有特定折射率的光学玻璃夹着一层双折射性很强的硝酸钠晶体。
30制作过程：把两片光学玻璃的相对面打毛，竖立在云母片上硝酸钠溶液倒入两个毛面形成的缝隙中压紧两块毛玻璃，挤出气泡，使得很窄的缝隙为硝酸钠填满使溶液从云母片一边缓慢冷却，形成单晶，其光轴恰好垂直于云母片进行退火处理后，即可截成所需要的尺寸31硝酸钠晶体对于垂直其光轴入射的黄绿光的主折射率为 玻璃对该波长光的折射率 与 非常接近，当光通过玻璃与晶体间的粗糙界面时， 光将无阻碍地通过，而 光则因受到界面强烈散射而无法通过而 与相差很大 32散射型偏振片本身是无色的，而且它对可见光范围的各种色光的透过率几乎相同，又能做成较大的通光面积，特别适用于需要真实地反映自然光中各种色光成分的彩色电影和彩色电视 332 二向色型偏振片晶体对光波的吸收光的波长光矢量相对于晶体的方向入射光是晶体复色(如白色)线偏振光不同的强度和颜色单轴晶体，称为二向色性双轴晶体，称为三向色性多向色性利用这种性质，可以得到偏振度很高的线偏振光34二向色型偏振片是利用某些物质的二向色性制作成的有些晶体(电气石、硫酸碘奎宁等)对传输光中 两个相互垂直的振动分量具有选择吸收的特性 例如电气石对传输光中 垂直于光轴的寻常光矢量分量吸收很强烈，吸收量与晶体厚度成正比， 而对非寻常光矢量分量只吸收某些波长成分，因此它略带颜色。
35二向色型偏振片(吸收型偏振片)广泛地应用于显示技术中， 如液晶电视、液晶手表、各种液晶显示器等优点很薄面积可以做得大有效孔径角几乎是 人造二向色型偏振片H型偏振片墨绿色的塑料偏振片聚乙烯醇薄膜加热后沿一个方向拉伸34倍放入碘溶液浸泡制成碘附着在直线的长链聚合分子上，形成一条碘链，碘中所含的传导电子能沿着链运动自然光射入，光矢量平行于链的分量对电子作功，被强烈吸收，只有光矢量垂直于薄膜拉伸方向的分量可以透过 强烈的二向色性36三 反射型偏振器为了克服这一矛盾， 人们设计一种称为“反射偏振器”的光学元件，习惯上又称之为“片堆” 能量要进行再分配偏振度也会产生相应的变化布儒斯特角入射时，反射光为全偏振光， 折射光也有最大的偏振度利用这一特性来获得完全的线偏振光单次反射弱点:光束的高强度与高偏振度两者不可兼得37自然光以布儒斯特角入射并通过片堆，则因透过片堆的折射光连续以相同条件反射和折射，每通过一次界面， 都从折射光中反射掉一部分垂直振动的分量，最后使通过片堆的折射光 接近一个平行于入射面的平面偏振光一般使用时都是把片堆放在圆筒中，片堆表面的法线与圆筒轴构成布儒斯特角，这样就制成一个简单而又实用的产生线偏振光的偏振元件。
38反射型偏振器的优点是适用的波长范围较大，制作简单 几乎所有的透光材料都可用来制作反射型偏振器因为在红外和紫外波段难于获得合适的晶体材料， 用于制作偏振器，因此这种偏振器在这两个波段有其独特的优越性39题目：1、偏振光的偏振状态由哪些参数决定？2、偏振光的定义与种类3、自然光分别与光轴平行和垂直入射时，光的状态如何变化？4、波片的分类4041 大连理工大学物理与光电工程学院 422 波片和补偿器光波可具有不同的偏振态，实际工作中经常需要改变光波的偏振态: 从线偏振光变成圆偏振光， 从椭圆偏振光变成线偏振光，或者检查光波的偏振态光波的偏振态是由其两正交振动的振幅比与相位差所决定， 因此改变这两个参量，就可改变光波的偏振态.利用光通过晶体可以改变入射光波的振幅和相位差的特点， 可以改变光波的偏振态43一 波片波片，也称为波晶片：是把各向异性透明材料按一定方式切割的 具有一定厚度的平行平面板 材料视通光面积的大小而异： 小面积的用晶体(例如云母、石膏、石英等)， 大面积的可由玻璃或高分子薄膜拉制而成 切割方式：指的是晶体主轴或光轴与通光表面的关系波片的切割是：使得晶体的两个折射率不等的主轴与晶片通光表面平行。
对于单轴晶体，晶片表面与光轴平行； 对于双轴晶体，晶片表面可与任一主轴平面平行44因此，它们透过波片后有光程差因而有相位差通常把这个相位差叫做波片的相位延迟 45O光e光光轴46单轴晶体的快慢轴对于“正单轴晶体”（如石英），o光光矢量振动方向垂直于光轴e光光矢量振动方向平行于光轴o光比e光传播的快， o光光矢量振动方向，即垂直于光轴方向为快轴， e光光光矢量振动方向，即光轴方向为慢轴对于“负单轴晶体”（如方解石），e光比o光传播的快， e光光矢量振动方向，即光轴方向为快轴， o光光光矢量振动方向，即垂直于光轴方向为慢轴47O光e光光轴48，49（光轴）50（光轴）说明输出光的偏振态发生了变化，为椭圆偏振光 利用这种波片可以将椭圆偏振光转变成线偏振光，或者将线偏振光转变成椭圆偏振光在光电子技术中，经常应用的是半波片和四分之一波片等51这时将光轴称为快轴这时将光轴称为慢轴521 全波片53线偏振光垂直入射全波片， 通过后，合成光矢量端点的轨迹方程为 此式为直线方程线偏振光垂直 通过全波片后，其偏振状态不变因此将全波片 放入光路中，不改变光的 偏振状态 542 半波片55线偏振光垂直入射波片，通过半波片后， 合成光矢量端点的轨迹方程为此式也为直线方程，即出射光仍为线偏振光 563 四分之一波片它的附加相位延迟为迟为 57线偏振光垂直入射波片， 通过四分之一波片后，合成光矢量端点的轨迹方程为58出射光为圆偏振光 59四分之一波片，分为正和负四分之一波片 正。